圆锥形热电臂的热电制冷器制冷性能和热应力分析

建立了三维圆锥形热电臂的热电制冷器的有限元模型,考虑了热电材料对温度的依赖性,研究了输入电流和热电臂的几何形状对圆锥形热电臂的热电制冷器制冷性能和热应力的影响,并与传统矩形做了对比。研究结果表明,圆锥形热电臂形状的设计能减小热电制冷器的最大热应力,热端铜片与焊料连接处热应力较大容易遭到破坏,适当增加热电臂的高度和冷热端横截面积之比可使冷端温度分别降低11.56 K、9.5 K。优化后的圆锥形热电臂的热电制冷器与矩形相比,冷端温度降低了1.53 K,最大热应力减小了8.9%,制冷性能提升的同时最大热应力也有所减小。     

热电制冷器热模型建立与修正方法研究

影响热电制冷器仿真温度的输入参数较多且不易准确测得导致建立高精度仿真模型较为困难。为此,提出了一种热电制冷器热模型建立与修正方法。首先建立热电制冷器温度场仿真模型,并基于Spearman相关级数对影响仿真温度的参数进行灵敏度辨识,确定强相关参数和弱相关参数;然后以热电制冷器的实测温度值为目标,采用多岛群遗传算法对强相关参数进行修正;在此基础上,再对弱相关参数进行修正;最后运用霍克基维斯直接搜索算法对修正后的参数进行更为精确的修正,得出了电流为3.6 A时模型输入参数的修正值。采用相同方法获得了电流在0~3.9 A范围内输入参数的修正值。据此建立的热模型,仿真值与实测值最大误差小于4.9℃(-5~100.5℃范围内),表明该热模型的建立与修正方法合理有效。     

膜蒸馏与热电制冷耦合传质通量分析

分析了膜蒸馏与热电制冷耦合关系,获得耦合的充要条件为热电制冷器应提供充足制冷量及较大温差。通过拟合温差和传质通量及冷端冷负荷分析,建立了热电制冷与膜蒸馏过程耦合的热量平衡方程及耦合特性参数方程,定义了耦合特性参数、耦合工况。理论分析表明,随着制冷温度的增大,膜蒸馏通量预测值的最大值先增大后减小,当制冷温度为279.65 K、热腔入口工质温度为362.15 K时取得最大值65.99 kg/(m~2·h)。本文为热电制冷膜蒸馏实验研究奠定了基础。     

新型变截面热电制冷元件结构优化研究

本文采用COMSOL Multiphysics 6.0软件建立了三维变截面热电制冷器(TEC)模型，采用有限元分析法研究了热冷端截面面积比和支腿高度对TEC性能的影响，并与传统热电制冷元件性能进行了对比。研究结果表明，增加支腿高度和合理改变支腿形状能够显著改善TEC的冷却性能。当热冷端截面面积比为0.4时，支腿高从0.6 mm增加到1.2 mm,冷端温度可降低6.0%。优化后TEC元件的冷端温度比传统元件低8.64 K,制冷性能提高了3.19%。材料的选择和放置顺序也影响变截面分段式TEC的性能。     

高温超导带材Bi-2223/Ag的焊接接头电阻研究

针对高温超导带材Bi-2223/Ag的焊接问题进行了研究.利用ANSYS建立焊接接头电阻特性的有限元计算模型,仿真和计算分析了焊料材料、搭接长度和焊锡层厚度对接头电阻值的影响,并进行了实验验证.实验表明:可通过减少焊料厚度,增加焊接搭接长度来减少接头电阻,当焊接长度在2～5cm,焊料厚度为0.5mm时,Bi-2223/...     

快速直喷式J-T制冷器性能优化研究

详细分析了快速直喷式J-T制冷器的工作原理,研究了影响制冷器性能的重要因素,实验研究了节流孔直径、换热管镀锡层厚度、尼龙线缠绕等因素对制冷器启动时间和蓄冷时间的影响。结合试验结果,对各种影响因素的影响机理进行了理论分析,研究结论为提高快速直喷式J-T制冷器性能提供了理论依据。     

一种喷射式快速启动制冷器的研制

为了提高红外探测器用制冷器的启动时间,研究设计了一种新型喷射式快速启动制冷器。这种制冷器带有两级制冷,比传统的单级制冷器启动时间更短,采用多层换热管结构和多个节流孔技术,极大地提高了其换热效率和降温时间。对这种制冷器的工作原理进行了分析,确定了影响其启动时间的因素。设计了一系列试验,测试得出了这种制冷器在不同氮气压力下的启动时间。该实验结果表明,这种制冷器能在数秒内达到77K,实现了快速启动,并对更进一步提高其启动时间的方法提出了建议。     

玻璃包覆纯铜丝快速冷却温度场数值模拟

建立了玻璃包覆纯铜丝快速冷却过程温度场的有限元计算模型,模拟得出了冷却过程丝线横断面的温度分布图及节点温度随时间的变化关系。研究了冷却水温度、水流速度对玻璃包覆纯铜丝冷却效果的影响。结果表明:快冷时玻璃层内的温差最大可达45 K/m,铜芯内温差最大为0.12 K/m; 随着冷却水流速增大,冷却效果增强,流速达到0.5 m/s时冷却能力饱和; 冷却水温在283～303 K范围内变化时,冷却效果基本不变。     

用于电子芯片的热电制冷器性能分析与评估

为了探究热电制冷器(Thermoelectric Cooler, TEC)对电子芯片的散热效果以及自身性能的发挥,建立了TEC风冷散热模型进行有限元分析。通过对不同热源表面温度、TEC冷热端温差、制冷速率等关键参数的研究分析,得到了电流、热源表面温度和外界散热条件对TEC散热性能的影响规律,通过有限元分析评估了不同条件下TEC的有效工况以及适用范围。结果表明：在一定的环境温度和散热条件下存在最佳电流,使得TEC的适用工况范围最大;适用范围随着环境温度的升高而有所扩大。     

微型层式热电模块制冷特性研究

本文建立了微型层式热电模块的仿真模型,讨论了不同的层数、层厚度,层导热系数对层式热电模块制冷效果的影响。研究发现:二层热电臂结构最优,冷、热端热电臂导热系数梯度越大,制冷效果越好,且热电臂厚度在不同导热系数梯度下存在最优值。另外,在微型层式热电模块中,接触效应会显著影响其制冷性能,因此在实际设计及应用研究中不可忽略。     

C-mount封装不同激光器芯片尺寸的热阻分析

采用波长漂移法对基于C-mount封装类型的不同尺寸芯片的热阻进行测量,得到了使热阻最小的最佳芯片尺寸和铟焊料厚度.测量结果表明,在铟焊料厚度为10 μm、输出功率为2 W、条宽为200 μm、腔长为2 000 μm时,激光器芯片的热阻最小值为2.01℃/W.在铟焊料厚度为5 μm和10μm两种条件下,对腔长为2 00...     

毫微晶Pd的热电势率

测量了晶粒尺寸为6.6～23nm 的亳微晶 Pd 从77K 到273K 的热电势率.结果表明,毫微晶 Pd 的热电势率强烈地依赖于晶粒尺寸.我们认为这可能是由于过渡金属 Pd 的电子能带结构或费米能随晶粒尺寸变化所致.     

面向红外气体检测的半导体器件温控系统及应用

研制了一种针对半导体器件的温度控制系统,不仅可用于对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制,同时实现了在宽环境温度范围内对无热电制冷器及热敏电阻的半导体器件的温度控制.系统硬件主要由两部分组成,第一部分包括主控制器模块、温度采集模块和热电制冷器电流控制模块,实现对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制;第二部分包括辅控制器模块、温度采集模块、金属氧化物场效应管开关电路模块及附加四级热电制冷器,实现对无热电制冷器的半导体器件的温度控制.软件部分,主辅控制器分别实时采集半导体器件的工作温度,采用积分限幅式数字比例-积分-微分算法,调整热电制冷器驱动器的电流实现恒定的温度控制.利用本文研制的温度控制系统对内置热电制冷器的半导体激光器的温度控制准确度为±0.01℃,温度稳定性为0.004 8℃;在无热电制冷器的半导体光源的温度控制实验中,-18℃、室温、40℃环境下的温控准确度分别为±0.05℃、±0.01℃、±0.02℃.利用研制的温控系统连续5h测试了1.563μm激光器的输出光谱,峰值输出波长稳定;采用1.653μm激光器,分别利用研制的温控系统和商用系统开展了甲烷气体检测实验,与商用控制器相比,本文研制的温控仪获得的系统检测下限更低.该系统具有体积小、成本低、便于集成、工作稳定可靠的优点,在气体检测中有良好的应用前景.     

储能电池簇液流冷却温控性能优化仿真研究

为了提高储能电站中电池簇的散热效果、改善电池表面温度分布的不均匀性，本文按照实际尺寸建立了电池簇的液冷仿真模型。利用Fluent仿真软件研究了出水口布置在不同位置时的散热效果，选定了最佳的布置方案，最大温差由16 K降低到13 K,降低了18.8%。进一步研究分析了冷板布置在底面和侧面时的散热效果，结果表明，采用冷板布置在电池侧面的方案，电池表面温度分布的不均匀性得到改善，最大温差由13 K减小到3.7 K,减小了71.5%,温差被控制在规定范围内。     

耦合能量和熵产分析的热电制冷器多目标优化

能量和熵产最小化理论已广泛应用于热电系统优化,然而平衡制冷量最大化和熵产最小化的热电系统参数优化研究较少。本文基于能量平衡和熵产最小化理论,通过效率单元法和稳态热传递,建立了热电制冷器(TEC)的热力学数学模型,并评价系统的热力学性能。在固定冷端温度条件下,考虑热物性参数的温度依赖特性,研究了包括热电臂臂长L、半导体对数N及面积比率F等几何参数对制冷器制冷量和熵产的影响。同时,构建了多目标函数J以实现制冷量和熵产的耦合,并利用简化共轭梯度法(SCGM)对系统参数进行多参数多目标的优化。结果表明,多参数多目标能有效优化热电制冷器的性能,相比于初始几何结构,耦合评价指标J下降约为初始值的30%。     

天基望远镜探测器组件热电制冷系统设计与试验

天基空间望远镜探测器必须采用主动制冷方式以满足其噪声抑制需求.为此,采用热电制冷为核心技术,开展了探测器热电制冷器封装设计、热电制冷器热排散系统设计、热电制冷控制系统设计,并从抑制寄生漏热、降低热电制冷器热排散路径热阻两方面进行了优化,以减小热电制冷器输入功率及辐射散热面积.根据帕尔帖效应、焦耳效应、傅里叶效应,获得了净制冷量、热端散热热阻、热端边界温度等环境特性参数与热电制冷器输入电流、电压、功率等工作特性参数间的关系,并分析了制冷热负荷、热端散热热阻与热电制冷器输入功率间的敏感度.研制了望远镜鉴定产品,并开展了真空热平衡试验.试验结果表明系统设计合理有效,能够将探测器制冷至-75℃温度水平,稳定度可达到±0.2℃.基于环境条件及热电制冷器工作参数等试验数据,对比并修正了热分析模型.研究结果可为类似空间望远镜热电制冷系统的研制提供参考和借鉴.     

微通道换热器大温差条件下流动换热研究

随着高效预冷器在航天航空领域发挥越来越重要的作用,紧凑高效换热器的研究成为了人们关注的热点。本文基于紧凑微通道换热器的几何特征,针对矩形截面平行流道换热器内超临界压力低温流体(氢和氦)在大温差条件下的流动换热现象进行数值模拟研究。通道截面边长小于1 mm,热流体氦和冷流体氢的进出口温差均大于600 K。通道内流体换热系数在顺流和逆流条件下有不同的变化趋势,并出现峰值。换热量随着通道宽度的增大而增大,流动压降随着通道宽度的增大而减小。冷热流体逆流时换热量大,压降较小,但对换热器材料要求较高。     

微通道换热器大温差条件下流动换热研究

随着高效预冷器在航天航空领域发挥越来越重要的作用,紧凑高效换热器的研究成为了人们关注的热点。本文基于紧凑微通道换热器的几何特征,针对矩形截面平行流道换热器内超临界压力低温流体(氢和氦)在大温差条件下的流动换热现象进行数值模拟研究。通道截面边长小于1 mm,热流体氦和冷流体氢的进出口温差均大于600 K。通道内流体换热系数在顺流和逆流条件下有不同的变化趋势,并出现峰值。换热量随着通道宽度的增大而增大,流动压降随着通道宽度的增大而减小。冷热流体逆流时换热量大,压降较小,但对换热器材料要求较高。     

蓄热单元尺寸对融化传热增强作用的数值研究

为提高板式相变蓄热单元融化过程的传热速率,本文在传统矩形单元的基础上改变装置尺寸得到楔形截面蓄热装置。利用焓法模型分析了单元结构尺寸(包括高宽比,上下边长比)对蓄热过程材料融化及传热特性的影响。结果显示,蓄热单元高度(热源面积)一定时,装置上下边长比、高宽比均对其热性能有显著影响。具体表现为:减小矩形单元的高宽比有利于强化传热;采用上下边长比大于1的楔形单元可在一定程度上消除蓄热过程的融化死角,蓄热时间最大缩短32.8%;蓄热单元的最优上下边长比与高宽比存在对应关系。     

激光二极管阵列泵浦固体激光器热设计研究

对激光二极管阵列（LaserDiodeArray,LDA）泵浦固体激光器热设计进行了研究。通过采用计算热阻的方法,根据LDA的发热功率选择热电制冷器（ThermaolElectronicConrtoller,TEC）和相应的散热器,采用强迫风冷的方式对重复频率为25Hz,输出单脉冲能量为80mJ的LDA泵浦固体激光器进行了精确的温度控制。试验结果表明,在-40℃～55℃环境温度范围内,激光器性能稳定,满足技术指标要求。